Die Verwendung effizienter externer Antennen sichert einen optimalen 5G- und IIoT-Funkempfang und hohe Datenraten

IIoT (Industrial Internet of Things) sowie V2X (Vehicle to Everything, vernetze und autonome Fahrzeuge) und allgemein GNSS-Anwendungen (Global Navigation Satellite System) funktionieren nur mit guter Funkverbindung. Inzwischen bildet das mobile Internet über 4G, 5G und LTE zunehmend eine Alternative zu kabelgebundenen Internetzugangstechnologien wie DSL, Kabel und Glasfaser, da es einfacher ist, neue Hochleistungs-Kommunikationswege drahtlos zu installieren, anstatt Leitungen zu verlegen oder Gebäude zu verkabeln.

Trotz besserer Funksignalabdeckung, aufgrund einer zunehmenden Anzahl von Basisstationen und Netzknoten, fehlt an vielen Standorten eine akzeptable Signalqualität. Externe Antennen können den Empfang oder die Verteilung der Funksignale erheblich verbessern.

Der folgende Artikel stellt für verschiedene Frequenzbänder neue Antennen zur Installation an Gebäuden, Masten und Fahrzeugen von Laird, Linx-Technologies, Siretta, Tallysman und Taoglas vor. Nach der Erörterung verschiedener schwieriger Empfangs- und Sende-Szenarien werden geeignete Antennen und ihre besonderen Eigenschaften vorgestellt, ergänzt durch Anwendungshinweise und Werkzeuge.

Funkwellen effizienter aussenden und empfangen

Der Vorrat an Funkfrequenzen ist nicht grenzenlos groß und bedarf einer effizienten Nutzung. Physikalisch bedingt werden alle Funksignale durch Störfaktoren wie Reflexionen, Beugung, Dämpfung, Abschattung und Interferenzen beeinträchtigt (Bild 1).

Bild 1: Physikalisch bedingt werden alle Funksignale durch Störfaktoren wie Reflexionen, Beugung, Dämpfung, Abschattung und Interferenzen beeinträchtigt. (Bildquelle: Informationszentrum Mobilfunk)

Verschiedene Umgebungen und Materialien wie weitläufiges Freifeld, Gebirge, Wälder, Häuserschluchten, Industrieanlagen, Kellerräume oder Fahrzeugkabinen beeinflussen Funkwellen teilweise signifikant. Wie stark verschieden Baumaterialien ein 900-Megahertz-Signal (MHz) dämpfen (Prozentwerte), zeigt Tabelle 1.

Tabelle 1: Dämpfung einer 900-MHz-Strahlung in Prozent; die Zahlen hinter den Materialien geben die Materialdicke in Millimeter an. (Quelle: FSM, ETH-Zürich)

Ein weiterer Faktor ist das hohe Funkverkehrsaufkommen zwischen Geräten, zu Netzwerkhotspots oder ins mobile Internet, denn jedes weitere Gerät führt zu geringeren Datenraten und Aussetzern aufgrund von Kapazitätsengpässen und Interferenzen. Letzteres steigert den Energieverbrauch bedingt durch erhöhte Sendeleistung und -wiederholung.

Der Einsatz von Repeatern, weiteren Basisstationen und höherer Funkleistung, sowie größerer Bandbreite, trägt jedoch nicht zur Entschärfung des Problems bei und führt eher zu einer Erhöhung der Gesamtgeräte- und Netzwerkkosten sowie bei energieautarken Endknoten zu einer kürzeren Batterielebensdauer.

Eine wirksame passive Methode ist der effizientere Empfang vorhandener Funkwellen beziehungsweise eine bessere Abstrahlung an problematischen Standorten. Im Freien oder getrennt vom Empfänger/Sender an günstigen Positionen aufgestellte externe Antennen können den Empfang oder die Verteilung der Funksignale erheblich verbessern. Dabei spielt nicht nur der Antennengewinn eine wichtige Rolle. In diffusen Signalbereichen, bedingt durch Beugung, Mehrfachreflexionen und Interferenzen, verbessern Antenneneigenschaften wie Polarisations-Diversity bei MIMO-Antennen (Multiple-Input Multiple-Output) oder zirkulare Polarisation, wie beispielsweise bei GNSS, die Konnektivität.

Höhere Frequenzen für größere Datenraten

Allgemein haben lange Funkwellen (niedrigen Frequenzen) ein bessere Wanddurchdringung und höhere Reichweite, allerdings sind die Datenraten eher moderat und die Antennen etwas größer. Kurze Funkwellen (hohe Frequenzen) erreichen höchste Datenraten mit kleinen Antennen, haben jedoch trotz Sichtverbindung (LoS, Line-of-Sight) geringe Reichweiten.

Die neuen 5G-Frequenzen – in Europa zunächst 3,4 bis 3,8 Gigahertz (GHz) – liegen bei realistischen Reichweiten von etwa 500 Metern, gegenüber 2 bis 3 Kilometern bei LTE über 2,1 GHz. Ohne externe Richtantennen mit genügend Gewinn sind akzeptable Datenraten in ländlichen Regionen kaum erreichbar. Das Konsortium 3GPP (3rd Generation Partnership Project) definiert im 5G-Standard Release 15 den Frequenzbereich von 450 MHz bis 6 GHz als FR1 (Frequency Range). Es gibt Pläne, weit höhere Spektralbereiche von 24 bis 86 GHz für die 5G-Nutzung freizugeben. FR2 umfasst das Spektrum von 24,25 bis 52,6 GHz.

Es empfiehlt sich, bei der Entwicklung neuer Geräte mit Funkschnittstelle zusätzlich zur integrierten Antenne einen Anschluss für eine externe Antenne vorzusehen. Aber auch als optionales Zubehör verbessert bereits ein passives Koppler-Antennensystem die Funkverbindung zu einer Basisstation merklich, wenn beispielsweise sendeleistungs­gesteuerte Zellularfunk-Geräte an Orten eingesetzt werden, die normalerweise keinen zuverlässigen Empfang haben. Der erhöhte Entwicklungsaufwand und die zusätzlichen (optionalen) Produktkosten können in der großen Masse der unzähligen drahtlos kommunizierenden Geräte am Markt einen deutlichen Wettbewerbsvorteil einbringen.

Antennenbauformen und Leitungsdämpfung

Für die Schmalband- oder Breitbandübertragung gibt es Richtantennen (Parabol-, Helix-, Panel-, Yagi-Bauform) oder Rundstrahler (Stab-, Patch-, Drahtbauform) (Bild 2).

Bild 2: Gebräuchliche Antennentypen im Überblick. Für die Schmalband- oder Breitbandübertragung gibt es Richtantennen (Parabol-, Helix-, Panel-, Yagi-Bauform) oder Rundstrahler (Stab-, Patch-, Drahtbauform). (Bildquelle: 5g-anbieter.info)

Im Falle einer stationären Installation in bekannter Funknetzwerkumgebung können externe Antennen mit größerer Richtwirkung und hohem Gewinn zum Einsatz kommen. Für mobile Geräte in unbekannter Funknetzwerkumgebung eignen sich rundstrahlende (omnidirektionale) Antennen, die jedoch weniger Antennengewinn bieten.

Bei schlechtem terrestrischem Empfang bewirkt die Installation einer Außenantenne und in größerer Höhe oft eine deutliche Verbesserung. Im Büro erreichen bereits an der Fensterscheibe haftende Antennen spürbar bessere Datenraten. Lange Antennenzuleitungen jedoch dämpfen den Signalpegel und können den Antennengewinn schnell zu Nichte machen. Bei GNSS-Antennen resultiert daraus zusätzlich eine drastisch sinkende Positionsgenauigkeit (erhöhte Signallaufzeiten, schlechterer Streukreisradius (CEP)). Kabellängen von 1 bis 5 Meter erreichen an passiven Antennen mit genügend Gewinn häufig noch akzeptable Signalpegel. Bei größeren Distanzen braucht es aktive Antennen mit integriertem Vorverstärker (LNA, Low Noise Amplifier) und höherwertige Kabel.

Eine Möglichkeit, die Dämpfung der Hochfrequenz-Signale (HF) in langen Kabeln zu umgehen, ist die Verlagerung des Funkmoduls, LTE-Routers oder LTE-Modems in die hoch oben installierte Außenantenne. Mobilfunkbetreiber verfahren so bei neuen 5G-Antennen – das Radiomodul ist in der Turmantenne integriert, die Signalzuleitung erfolgt über ein Protokoll mit kleinerer Frequenz. Für mittlere Datenraten lässt sich beispielsweise sich ein wetterfest eingehaustes LTE-Funkmodem in Form eines USB-Sticks oder ein kleiner LTE-zu-LAN-Router (Bridge) an einer höher gelegenen Position im Außenbereich installieren. Die maximale Leitungslänge (ohne Verstärkung durch einen Hub oder Repeater) beträgt für USB 2.0 etwa 5 Meter, für Ethernet 100 Meter.

Die Signalqualität praktikabel beurteilen

Anwender von Funkstrecken und drahtlosen Endgeräten sind oft überfordert, für ihre Situation passende Frequenzbänder und die dazu passende Antenne samt Leitungen und eventuell Vorverstärker auszuwählen. Fachkundige Funksystementwickler, -anbieter und -installateure können die Signalqualität vor Ort einschätzen und optimale Konfigurationen auch für komplexe Einsatzszenarien empfehlen.

Während der Installation einer Festantenne oder zur Ausrichtung einer mobilen Stativantenne ist es hilfreich, die Signalqualität beurteilen zu können. Zur Messung verschiedener Signalparameter eignet sich beispielsweise der Signalanalysator Snyper-LTEM Graphyte (GL). Endgeräte wie LTE- oder Wi4U-Router zeigen solche Messwerte in der Konfigurationsoberfläche an, denn diese Geräte machen solche Messungen automatisch, um sich mit der stärksten Funkzelle zu verbinden. Wi4U-Router setzen in Fahrzeugen LTE auf WLAN (Wireless Local Area Network) um und ermöglichen WLAN-Clients einen sicheren und stabilen Zugang ins Internet, auch bei hohen Fahrgeschwindigkeiten.

Als technische Indikatoren zur Einschätzung der Signalqualität einer Funkverbindung eignen sich Maßgrößen wie RSRQ (Reference Signal Received Quality), RSRP (Reference Signal Received Power) und der Signal-Interferenz-Rauschabstand (SINR).

Während ein RSRP von -50 dBm (Dezibel [dB] bezogen auf 1 Milliwatt [mW]) exzellenten Empfang bedeutet, weisen -100 dBm auf schlechte Bedingungen hin, jedoch sind unter -120 dBm stabile Verbindungen kaum möglich (Tabelle 2).

Tabelle 2: Der RSRP-Pegel (Reference Signal Received Power) dient kategorisiert nach Schulnoten der Einschätzung der Signalqualität einer Funkverbindung. (Tabellenquelle: lte-anbieter)

Die Antennenausrichtung ist optimal und die Verbindungsqualität umso besser, je dichter sich der RSRQ an -3 dBm annähert. Werte unterhalb von -12 dBm weisen auf starke Störeinflüsse aus der Umgebung hin und äußern sich in instabilen Verbindungen. Bei einem RSRQ von weniger als -16 dBm sind keine nutzbaren Verbindungen mehr möglich (Tabelle 3)

Tabelle 3: Der RSRQ-Pegel (Reference Signal Received Quality) dient kategorisiert nach Schulnoten der Einschätzung der Funkverbindungsqualität. (Tabellenquelle: lte-anbieter)

Der SINR ist das Verhältnis aus Nutzsignalleistung P_Signal zur Störsignalleistung [Rauschen (P_Noise) + Interferenzen (P_Interfrence)] (Formel 1).

 Formel 1

Beim gewöhnlichen Signal-Rauschabstand (SNR) wird der Leistungsanteil der Interferenzen im Quotienten nicht berücksichtigt (P_Interference = 0).

Der Wertebereich des SINR (Signal to Interference and Noise Ratio) liegt zwischen -12 dB und +40 dB. Ein SINR-Pegel über +10 dB spricht für gute Verbindungen, bei +9 und 0 dB ist sie noch recht akzeptabel. Unterhalb von 0 dB hingegen, überwiegen Rauschen und/oder Interferenzen (Tabelle 4). Eine bessere Antenne kann den SINR-Pegel meistens steigern.

Tabelle 4: Der SINR ist das Verhältnis aus Nutzsignalleistung P_Signal zur Störsignalleistung [Rauschen (P_Noise) + Interferenzen (P_Interfrence)]. (Tabellenquelle: lte-anbieter)

Funkverbindung bei Mehrfachreflexion, Beugung und Interferenzen

In Problemzonen können MIMO-Antennen die Polarisations-Diversity nutzen eine bessere Signalqualität erreichen, als einfache Yagi-Antennen. Polarisations-Diversity von zwei 90° versetzt angeordneten Yagi-Antennen gewinnt zusätzliche 3 bis 4 dB. Im Bereich GNSS empfangen Helix-Antennen nur die zirkulare polarisierte Hauptwelle, reflektierte elliptisch polarisierte Funkwellen werden ausgeblendet. SAW-Filter (Surface Acoustic Wave) unterdrücken störende, eng benachbarte Funkkanäle.

Antennen-Diversity, also die Kopplung mehrerer örtlich verteilt angeordneter Antennen, kann eine bessere Signalqualität erreichen. Fahrzeugantennensysteme nutzen dieses Konzept. Großflächige Panel-Antennen verwenden intern mehrere unterschiedlich angeordnete Patch-Antennenelemente und können zudem die Richtcharakteristik speziell formen (Beamforming). Neue 5G-Sendantennen auf Basisstationen erreichen das Beamforming und den Tilt (vertikale Neigung) über positive Interferenz durch phasenversetzte Ansteuerung der vielen Antennenelemente in einer Matrix.

Wichtige Kenngrößen von GNSS-Antennen

Eine wichtige Kenngröße bei GNSS-Antennen ist die aus dem Empfangssignal resultierende Genauigkeit. Als 2D-Projektion gibt der Streukreisradius (CEP, Circular Error Probable) bei einer kreisförmigen Normalverteilung den Radius eines Kreises an, in dem 50 Prozent aller Messwerte liegen. Geläufig sind auch Angaben wie DRMS, 2DRMS und R95 mit anderen Prozentwerten (Tabelle 5). Bei 3D-Betrachtung bezieht sich der Spherical Error Probable (SEP) auf den Radius einer Kugel.

Tabelle 5: Unterschiedlich berechnete Streukreisradien geben die Genauigkeit von GNSS-Geräten an. (Tabellenquelle: Wikipedia)

Das Achsenverhältnis (axial ratio) ist das Verhältnis der orthogonalen Komponenten eines E-Feldes. Ein zirkular polarisiertes Feld besteht aus zwei gleichgroßen orthogonalen E-Feldkomponenten mit 90 Grad Phasenverschiebung und hat das axiale Verhältnis 1 (= 0 dB). Das axiale Verhältnis für eine Ellipse ist größer als 1 (> 0 dB), das für lineare Polarisation ist unendlich (die orthogonale Komponente ist Null). Tallysman Helix-GNSS-Antennen empfangen nur zirkulare Signale (axial ratio = 1) und sind unempfindlich gegenüber Signalen durch Mehrfachreflexion, die elliptisch verzerrt sind (axial ratio > 1).

Die Echtzeitkinematik (RTK, Real-Time Kinematic) ist ein Verfahren zur präzisen Bestimmung von Positionskoordinaten und nutzt zusätzlich GNSS-Signale von geodätischen Empfängern. Diese Zweifrequenz-Empfänger analysieren die vom Navigationssatelliten eintreffende Funksignale auf zwei kodierten Frequenzen (L1 und L2 bei GPS). Über das normale Pseudoranging hinaus (nur L1) erreicht die Phasenmessung der Trägerwellen eine höhere Genauigkeit.

Schmalbandantennen für GNSS

Für Navigationsanwendungen bietet Taoglas mit AQHA.11.A.101111 eine neue aktive Helix-Außen-Antenne im Dom-Gehäuse an, die über RTK eine hohe Positionsgenauigkeit von 2DRMS = 1,4 Zentimeter (cm) erreicht. Das Modell koppelt intern vier Antennenelemente und schaltet einen zweistufigen Signalformer (Filter + LNA) nach. Die GNSS-Antenne empfängt zirkular polarisiert (RHCP, Right Hand Circular Polarization) auf den vier Frequenzen 1561 MHz, 1575,42 MHz, 1601 MHz, 1602 MHz und funktioniert für GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou, Compass wie auch SBAS.

AQHA.11.A.101111 wird mit 2 bis 24 Volt (V) Gleichstromversorgung betrieben, nimmt maximal 15 Milliampere (mA) auf, hat einen Wirkungsgrad über 70 Prozent und wiegt 325 Gramm (g). Der LNA verstärkt um 28 dB bei weniger als 2,5 dB Rauschen, während das Achsenverhältnis (Zenit zu 90° Elevation) weniger als 3 dB beträgt und der Antennenspitzengewinn bis zu 0,7 dBi (Dezibel [dB] als Differenz zum Isotropen- oder Kugelstrahler) erreicht. Die Antennen hat eine Impedanz von 50 Ohm (Ω) und wird mit 1 m RG-174-Kabel und SMA(M)-Steckanschluss geliefert.

Im Vergleichstest auf einem bewegten Fahrzeug zeigt die AQAH.11 mit RTK gegenüber der hauseigenen flexiblen Flachantenne FXP611.07.0092C eine deutlich höhere Genauigkeit (Bild 3). Auf einer 30 x 30 cm großen Groundplane erreicht die Wendelantenne mit RTK eine hohe Positionsgenauigkeit von 2DRMS = 1,4 cm gegenüber 58 cm ohne RTK. Für den Versuchsaufbau verwendete Taoglas das Evaluierungs-Set C94-M8P-2-10, welches auf dem GNSS-Modul NEO-M8P-0 von u-blox basiert.

Bild 3: Im Vergleichstest auf einem bewegten Fahrzeug zeigt die AQAH.11 mit RTK gegenüber der hauseigenen flexiblen Flachantenne FXP611.07.0092C eine deutlich höhere Genauigkeit. (Bildquelle Taoglas)

Mit dem Modell 33-HC882-35 bietet Tallysman eine 42 g leichte hochgenaue Helix-Dom-Antenne für die Frequenzbänder GPS/QZSS-L1/L2, GLONASS G1/G2/G3, Galileo-E1/E5b und BeiDou-B1/B2 sowie L-Band-Korrekturdienste an. Die präzise abgestimmte Vierfach-Wendelantenne mit zirkularer Polarisation (RHCP) sorgt für ausgezeichnete Axial-Verhältnisse und kommt ohne Groundplane aus (Bild 4).

Bild 4: Die präzise abgestimmte Vierfach-Wendelantenne mit zirkularer Polarisation (RHCP) sorgt für ausgezeichnete Axial-Verhältnisse und kommt ohne Groundplane aus. Darstellung ohne Schutzhaube. (Bildquelle: Tallysman)

Ein sehr rauscharmer Vorverstärker (LNA) mit verlustarmem Vorfilter unterdrückt mehrfach reflektierte GNSS-Signale und benachbarte zellulare Störsignale mit hoher Amplitude sehr effizient (Tabelle 6). Die GNSS-Antenne eignet sich ideal für RTK-Vermessungssysteme und autonome Fluggeräte (UFA). Weitere Antenneneigenschaften:

• Axial ratio: ≤ 0,5 dB im Zenit
• LNA-Verstärkung (Gain): 28 dB (15 mA) oder 35 dB (21 mA), Rauschpegel:2,0 dB
• Versorgung: 2,2 bis 16 V_DC, 15 oder 21 mA
• Stehwellenverhältnis (VSWR, Voltage Standing Wave Ratio) < 1,5 typisch

Tabelle 6: Ein sehr rauscharmer Vorverstärker (LNA) mit verlustarmem Vorfilter unterdrückt mehrfach reflektierte GNSS-Signale und benachbarte zellulare Störsignale mit hoher Amplitude sehr effizient. (Tabellenquelle: Tallysman)

Schmalband-Dipolantenne für ISM und LPWA (868 MHz)

Wenn Anwendungen für Fernerkundung, -überwachung und -steuerung am Ort der Steuerelektronik keinen Empfang haben, kann die externe Kurzwendel-Dipol-Antenne ANT-868-MHW-SMA-L von Linx Technologies das Problem lösen. Es sind vier Varianten für die lizenzfreien Frequenzbänder 418, 433, 868 und 916 MHz erhältlich, wahlweise mit 2 oder 4,6 Meter RG-174-Koakialabel und SMA-Stecker für 50 Ω. Die Antenne eignet sich ideal für Anwendungen im Bereich ISM (Industrial, Scientific and Medical Band) und LPWA (Low-Power Wide-Area) wie beispielsweise LoRaWAN (Long Range Wireless Area Network) oder Sigfox (Bild 5).

Bild 5: Die Kurzwendel-Dipol-Antenne ANT-868-MHW-SMA-L eignet sich ideal für ISM- und LPWA-Anwendungen wie LoRaWAN oder Sigfox. (Bildquelle: Linx Technologies)

Ein rückseitiger Klebestreifen des knapp 14 cm breiten λ/2-Rundstrahlers ermöglicht eine einfache Installation an nichtmetallischen Oberflächen, wie beispielsweise einer Fensterscheibe im Gebäude oder Fahrzeug. Mit einem VSWR von 1,3 und einem Peak Gain von 4,0 dBi erreicht dieser Dipol eine Effizienz von 54 %.

Schmalband-Yagiantenne für Wi-Fi-Richtfunk

Für Punkt-zu-Punkt-Wi-Fi-Übertragung über große Betriebsgelände oder in Hallen und langen Gebäude, bieten sich für den Innen- wie auch Außenbereich wetterfeste rohrgekapselte Yagi-Richtfunkantennen von Laird an. Das Model YE490012 für den Frequenzbereich 4,9 bis 5,8 GHz erreicht einen Gewinn von 10 dBi, das Modell YE240015 für 2,4 GHz schafft 14,5 dBi. Beide Varianten haben einen VSWR unter 2, einen Öffnungswinkel von 23° bis 27° und verkraften bis zu 300 Watt Sendeleistung (Bild 6).

Bild 6: Die YE240015-02 für 2,4 GHz-WLAN hat einen Öffnungswinkel von 23° bis 27° und erreicht einen Gewinn von 14,5 dBi. (Bildquelle: Laird)

4-in-1-Kombinationsantenne

Ideal für Anwendungsbereiche wie Telematik, Transport, Fernüberwachung, Flottenmanagement und autonome Robotik eignet sich Genesis MA244.LBIC.002 von Taoglas, eine selbstklebende, leichte 4-in-1-Kombinationsantenne, zur Installation an einer Fensterscheibe. Die MA244 enthält eine leistungsstarke 5G/4G MIMO-Antennentechnologie für Mobilfunk, die eine Reihe von 5G FR1-Bändern und weltweit LTE, GPS/GLONASS/Galileo und Dualband-Wi-Fi abdeckt (Bild 7):

• 1 × GNSS aktiv (GPS, GLONASS), 1 m RG-174-Kabel mit SMA(M)-Stecker
• 2 × 5G/4G MIMO (LTE): 1 m TGC-200-Kabel mit SMA(M)-Stecker
• 1 × Dualband-Wi-Fi (2,4 und 5,8 GHz): 1 m TGC-200-Kabel mit SMA(M)-Stecker
• Abmessungen:205,8 × 68 × 12,4 mm
• Betrieb bei hohen Umgebungstemperaturen bis 85°C

Bild 7: Die MA244 enthält zwei 5G/4G MIMO-LTE-Antennen, eine Wi-Fi-Dualband-Antenne für 2,4 und 5,8 GHz und eine GNSS-Antenne für GPS/GLONASS/Galileo. (Bildquelle: Taoglas)

Der GNSS-Vorverstärker leistet 30 dB Verstärkung bei 1,7 dB Rauschen und nimmt an einer Versorgung von 3,3 Volt nur 15 Milliampere auf (Phantomspeisung). Beide Wi-Fi-Bänder (2,4 und 5,8 GHz) laufen über eine Wi-Fi-Antenne, welche ein Peak-Gain von über 4 dBi und eine Effizienz von 64 % erreicht. Bei Kabellängen von 5 Meter sinkt an beiden Mobilfunkantennen, die Effizienz um bis zu 40 % (Bild 8), bei WLAN 5,8 GHz um bis zu 50 %. Speziell bei GNSS werden zusätzlich die Signallaufzeiten kritisch und die Positionsgenauigkeit geht drastisch zurück.

Bild 8: Wirkungsgrad der MIMO-1 Mobilfunkantenne bei unterschiedlich langen Anschlussleitungen. Bei Kabellängen von 5 m sinkt die Effizienz um bis zu 40 %. (Bildquelle: Taoglas)

Multiband-Panel-Richtantennen für LTE

Drahtlose Netzwerke im Innen- und Außenbereich oder die Vernetzung von Terminals, Verkaufsstellen, Maschinen, Fernmessstellen oder Sicherheitssystemen – für diese stationären Betriebsbedingungen eignen sich breitbandige Panel-Richtantennen, die sich unauffällig an senkrechten Wänden installieren lassen. Ideal zu diesen Anwendungen passt die Antenne PAV69278PO-30NF von Laird für die Frequenzbereiche 698 bis 960 MHz und 1710 bis 2700 MHz (Bild 9).

Bild 9: Die Multiband-Panel-Richtantenne PAV69278PO-30NF lässt sich flach und unauffällig an senkrechten Wänden und beispielsweise auch hinter Folienplakaten installieren. (Bildquelle: Laird)

Die Multiband-Panel-Richtantenne hat bei vertikaler Polarisation einen hohen Gewinn und erreicht einen kleinen PIM-Wert (passive Intermodulation). PIM ist ein Güteparameter aus Lairds Antennenentwicklung, denn durch ungünstige Werkstoffe und Materialpaarungen (nichtlineare Halbleitereffekte) wie auch unsaubere Geometrien und Verarbeitung (Spalte, Resonatoren) entstehen innerhalb einer Antenne harmonische Nebenfrequenzen, die als Störsignale weit über dem Rausch- und sogar Nutzsignalpegel liegen können. Einige Eckdaten zur PAV69278PO:

• Peak Gain: 7,0 bis 8,7 dBi
• VSWR: < 1,8
• Impedanz: 50 Ω

Die Strahlungsmuster des Panels sind gleichförmig und symmetrisch und bieten eine hohe Signaldichte in definierten Versorgungszonen (Bild 10 bei 824 MHz). Diese Antenne verbessert die Leistung von LTE-Systemen erheblich und eignet sich für Innen- oder Außenanwendungen.

Bild 10: Die Strahlungsmuster des Panels sind gleichförmig und symmetrisch und bieten eine hohe Signaldichte in definierten Versorgungszonen; Messung bei 824 MHz. (Bildquelle: Laird)

Multiband-Yagi-Antennen von 2G bis 5G

Eine sehr schlanke Yagi-Vier-Band-Antenne für innen und außen bietet Siretta mit dem Modell OSCAR20A/5M/SMAF/S/S/15. Mit 7 bis 10 dBi Spitzengewinn und erweiterter Frequenzabdeckung von 600 bis 3500 MHz eignet sie sich für 2G/3G/4G/5G-LTE. Diese Richtantenne ermöglicht Konnektivität in abgelegenen Umgebungen, in denen eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung die einzige effektive Methode der Kommunikation zwischen Geräten und Einzelzellen-Standort ist (Bild 11).

Bild 11: Oscar20A ermöglicht Konnektivität in abgelegenen Umgebungen, in denen eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung die einzige effektive Methode für eine Funkkommunikation ist. (Bildquelle: Siretta)

Weiter Eigenschaften von Oscar20A:

• VSWR: < 1.3
• Polarisation: Vertical
• Maximale Leistung: 50 W
• Abmessungen: 170 × 147 × 35 mm
• PIM (3^rd Order, 2 x 20 Watt) < 153 dBc (Decibels relative to carrier)
• Öffnungswinkel Hauptkeule (3-dB-Schwelle): 51 – 73°
• Abmessungen: 249 × 249 × 62 mm³

Fazit

Wenn Funkverbindungen auch an problematischen Standorten hohe Datenraten erreichen sollen, braucht es genügend Signalpegel und eine gute Signalqualität. Der Artikel zeigte, warum externe Antennen dabei unverzichtbar sind. Es wurden verschiedene schwierige Empfangs- und Sende-Szenarien diskutiert und verschiedene geeignete Antennentypen mit ihren speziellen technischen Merkmalen vorgestellt.

Künftige höhere 5G-Funkfrequenzen verringern die realistische Reichweite auf unter 500 m und durchdringen Gebäudewände schlechter. Eine brauchbare Funkverbindung wird dann in Gebieten mit wenigen Netzwerkzugangsknoten ohne Richtantenne mit genügend Gewinn kaum möglich sein.

Gerätedesigner sollten daher bei Neuentwicklungen immer Anschlussmöglichkeiten für externe Antennen berücksichtigen, um dem Anwender an jedem Standort eine optimale drahtlose Verbindung zu ermöglichen.